Способ определения размеров сферичес-КиХ МиКРОчАСТиц Советский патент 1981 года по МПК G01N15/02 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ СФЕРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦ

Изобретение относится к технике измерения размеров микрочастиц и может быть использовано в различных об TiacTHx науки и техники, где требуется точное измерение размеров прозрач ных сферических микрочастиц, наприме в метеорологии для измерения дисперс ного состава гидрометеоров, в механи ке и химии для анализа микроструктуры распыленных жидкостей. Известен фотоэлектрический способ измерения размеров движуш.ихся микрочастиц, заключающийся в том, что час тицу облучают световым потоком от од ного источника по методу темного поля, с.помощью объектива получают,ее изображение на входном окне фотоэлек тронного умножителя (ФЭУ), и по амплитуде импульсов напряжения, возникающих на нагрузке ФЭУ при прохождении частицы в поле зрения объектива судят о размере частицы 1. Однако этот способ не дает информации о пространственном движении частицы, а в случае, когда производятся измерения.частиц с близкими размерами, сложна практическая реали зация этого способа. Наиболее близким по технической сущности является способ определения размеров микрочастиц, обладающих зеркально гладкими поверхностями, заключающийся в том, что частицу облучают двумя световыми потоками, направленными под острым углом один к другому, получают ее изображение в виде двух светящихся точек, являющихся изображениями площадок на поверхности частицы, от которых отражается часть светового потока,попадающая затем в апертуру объектива, измеряют расстояние между этими светящимися точками, по которому и определяют размеры микрочастиц 2 . Однако использовать этот способ для определения размеров прозрачных сферических микрочастиц затруднительно. Для таких частиц мал коэффициент отражения светового потока от их поверхности. Кроме того, наряду с отраженными от поверхности частиЦы световыми пучками, попадающими в апертуру объектива регистрирующей системы, туда также попадают и преломленные частицей пучки, причем в зависимости от величины угла между облучающим световым потоком и оптической осью объектива, яркость преломленных пучков может значительно превглиать яркость пучков отраженных. Поэтому для наблюдения слабо светящихся точек, соответс вующих отраженным от поверхности мик рочастицы пучкам, на фоне находящихс в непосредственной близости от них ярких точек, соответствующих преломленным микрочастицей пучкам, необхо димы устройства с большим динамическим диапазоном разрешения по яркости (далее указанные точки называются со ответственно отраженной и преломленной точками), Более того, при некото рых условиях наблюдение отраженных точек вообще невозможно. Это происходит в том случае, когда отраженная и преломленная точки, возникающие от разных облучающих пуч ков, начинают сливаться, т.е. рассто яние мэжду ними л становится равным величине дифракционного предела разрешения объектива системы регистраци Д 1,22 Л/А , где Л - длина волны облучающего светового потока; А числовая апертура объектива. С умень шением угла Ъ между облучающим свето вым потоком и оптичеркой осью объектива системы регистрации Д растет. При малых Ъ l(l-i/h) где п - показатель преломления вещества микрочастицы. Так как А Ь , .то наибольшее значениеД составляет s-D маис 1а(1-1;н) , где R - радиус микрочастицы. Для регистрации отраженной точки необходимо, чтобы , откуда вытекает ограничение на R. При ,33,,1,,5 мкм R -TfS мкм. Это ограничение является также недостатком известного способа определения размеров микроча тиц. Можно выбрать угол Ъ таким образо что в апертуру объектива системы регистрации не попадут лучи, преломлен ные микрочастицей. Для этого необходимо,чтобы Ъ был больше Ъгр/ где Ъго определяется формулой: . .cp-ie V Ч ч I п Следует отметить, что при (т.е. практически для всех известных прозрачных в видимом оптическом диащазоне веществ, исключая газы/ угол между облучающими световыми потоками становится тупым, т.е. )/ что уже не удовлетворяет требованию, изложенному в известном способе (2& острый) . Если все же при by/fef.. для определения размеров прозрачной сферической микрочастицы применять известный способ, то величина относительной погрешности F в определении радиуса частицы определяется формуло Uli/bin Cb/a)Поскольку b-7brp ТО () /2 . При п 1,33, ,1, 6%. Как следует из приведенной выше формулы,Fg увеличивается с ростом Ь . Поэтому для сохранения точности измерений должно быть наложено ограничение не только на величину угла между облучающими световыми пучками, но и на величину угла между каждым из пучков и оптической осью объектива ре-, 1 истрирующей системы. Следовательно, при измерении размеров микрочастиц по известному способу, необходимо облучать микрочастицы световыми пучками, направленными в сторону объектива. Кроме того, с увеличением угла Ъ коэффициент отражения от поверхности частицы лучей, попадающих в апертуру объектива, стремится к своему минимальному значению, равному ( при Ь , ЧТО накладывает более высокие требования на чувствительность регистрирующей системы к слабым световым потокам. Таким образом, известный способопределения размеров прозрачных микрочастиц имеет следующие недостатки: а)при облучении прозрачных сферических микрочастиц часть облучающего светового потока фокусируется микрочастицей, за счет чего в плоскости изображения регистрирующей системы рядом с отраженной точкой появляется точка с большей яркостью. В результате, для разрешения отраженной точки на фоне точки преломлений: требуется применение аппаратуры с высоким динамическим диапазоном по яркости. Однако даже в этом случае точность измерений невелика, так как наличие дифракционной структуры вокруг изображения преломленной точки не позволяет точно определить положение точки отраженной;б)при определении размеров частиц, используя преломленные точки (и производя вычисления по другим формулам), точность измерений зависит от положения отраженной точки. Это связано с тем, что наличие отраженной точки приводит к размытию изображения преломленной точки; в)ограничивается нижний предел измеряемых размеров микрочастиц, цапример для микрочастиц из воды размером 15 мкм. Цель изобретения - возможность определения разм-зров прозрачных частиц с одновременным повышением точности измерений. .Поставленная цель достигается тем, что облучающие световые пучки направляют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы, а угол между ними устанавливают согласно зависимости:„ „ . Иб-п 2ot 8arcs n-n -rs-4arcs ni где 2.06- угол между световыми пучками п - показатель преломления вещества исследуемых частиц. На чертеже изображен ход лучей в меридиональном сечении микрочастицы. Световые пучки 1 и 2 падают на про зрачную сферическую частицу 3 со стороны объектива 4 регистрирукядей систе мы под углами относительно оптичес- кой оси объектива 00 и преломляются частицей. При этом часть лучей из пучков 1 и 2, падающая на поверхность частицы под углом i отражается от поверхности частицы в точках А и А , фокусируется в точках В и В , а затем попадает в апертуру объектива ( в общем случае, точки В и В не лежат на поверхности микрочастицы). Таким образом . частица видна в микроскоп в ви де двух точек, являющихся изображениями точек В и в . Обозначим расстояние между точками В и в через 2.R . Простые геометрические построения и использование одного из основных законов оптики, связывающего угол падения светового пучка на поверхность частицы, угол преломления этого пучка, показатель преломления вещества микрочастицы (закона Снеллиуса) позволяют получить связ между R и R в виде системы уравнений Решение этой системы в общем случае весьма затруднительно и связано с большой погрешностью в определении истинного размера частицы R. Процедуру вычисления R можно существенно упростить, если выбрать угол таким, что бы точки В и В находились на поверхности частицы. Справедливы следующие соотношения: Sina6/sinr n(1) oi 4r - 2i +р) , (2) где i - угол, под которым световой %уч из освещенного пучка, попадающий в середину апертуры объектива, падает йа поверхность микрочастицы; г - угол преломления указанного луча; Jb - угол между оптической осью объектива и рассматриваемым лучом пос ле прохождения его через частицу. При использовании длиннофокусного объектива углом J можно пренебречь. Условием фокусировки преломленного пучка на поверхности частицы является требование: ,гдеы 1и-1-ю1-4г (3) Из (1)-(3) получаем при Jb 1: sin -2apc 5ЧП /sin Таким образом, выбрав по (6) величину угла OJ/ (угол ос - острый уже при п 7/ )f с помсдью (5) вычисляем величину sin i, а с помощью (7) по известным величинам R и увеличению регистрирующей системы определяем истинный размер частицы. Используя соотноиения (1-3), можно получить выражение для относительной ошибки Pg измерения размера микрочастицы при ошибке Ьд в измерении угла . При изменении п от 1,1 до 1,/ величина tcj J меняется от 9,95 до 8,18. Поэтому при 1,5° 0,5%. Величина ошибки в измерении размера микрочастицы, связанная с неточностью определения ее показателя преломления, вычисленная с помощью (5), (7), равна f &-п. .Y-AD- где - - относительная ошибка измерения п. При Ci 0,5% необходимо, чтобы AS 6%. Все приведенные выше рассуждения не учитывают тот факт, что наряду с фокусировкой лучей в меридиональной плоскости частицы про 1сходит фокусировка в перпендикулярной (сагиттальной) плоскости, причем, в общем случае, эти точки фокусировки не совпадают. При этом может возникнуть ошибка, связанная с неточностью наводки объектива регистрирующей системы на Точку, соответствующую фокусировке лучей в меридиональной плоскости. Можно показать, что расстояние между рассматриваемыми точками фокусировки равно .|b:,-Roosr«, что приводит к относительной ошибке в измерении размеров микрочастицы: р 4-п cosn R J А-Ч.п sinL (в данном случае углом p пренебречь нельзя). Если ограничиться значениями п ; If7, Что не уменьшает общности рассмотрения, так как большинство веществ в видимом диапазоне спектра удовлетворяет указанному ограничению, то f ; 3,4 Jb . Если положение микрочастицы не фиксировано в поле зрения объектива системы регистрации, то это накладывает ограничение на размер поля зрения L , поскольку Jb 4 , где F - фокусное расстояние объектива. Для объектива с F 3см f не превышает 2%, если поле зрения не более 350 мкм. С увеличением п возникает случай, когда от одного облучающего светового потока регистрируются две светящиеся точки. Граничное значение показателя преломления п, при котором появляется вторая светящаяся точка от одного светового пучка, определяется из соотношения: . .Цао,...а-}д, где п 1,498. Таким образом, при- для -измерения размеров микрочастиц можно использовать один облучакядий световой пучок, направленный под углом о к оптической оси объектива регистрирующей системы, причем величина oi определяется выражением {6J. В то жевремя, как следует из этого же выражения, at О при п 1,617. Поскольку значение п отличается от п аи 1,5 и от 1,7 не более, чем на 6,5%, то в этом диапазоне показателей преломления, можно облучать микрочастицу одьшм световым пучком, направленным со стороны объектива, вдоль его оптической оси. При этом фокусировка лучей на поверхности частицы происходит только для п 1,617, а при л 1,617 может возникнуть дополнительная ошибка в определении за счет смещения точки фокусировки в меридиональной плоскости от поверхности час тицы. Расстояние L , на которое смещается точка фокусировки от поверхнссти частицы при Ы О, дается фор«i «- . При изменении п от 1,5 до 1,7L меняется от -1,25R - фокусировка лучей внутри частицы, до 0,19R - фокусировка вне частицы. Следовательно, ошибка за счет этого зффекта меньше ошибки, возникающей из-за наличия точки фокусировки в сагиттальной плоскости Поэтому для всех п от 1,498 до 1,7 можно облучать частицу одним световым пучком без ухудшения точности измерений . Осуществление предлагаемого способа происходит следующим образом. Рабочий объем с находящимися в нем микрочастицами помещают в поле зрени объектива регистрирующей системы. Апертуру объектива, его фокусное расстояние, а также поле зрения объектива выбирают исходя из необходимой точ ности измерений. Объем освещается двумя широкими световыми пучками, нап равленными со стороны объектива под углом к его оптической оси, причем величина этого угла вычисляется по из весткому показателю преломления микрочастицы заранее с помощью (6). Если величина показателя преломления лежит в пределах от 1,498 до 1,7 то микрочастицу облучают одним световым пучком, направленным вдоль оптической оси объектива регистрирующей системы. Получив изображение микрочас тицы в виде двух светящихся точек, фиксируют его, например на фотопленку, измеряют расстояние между ними, и, зная увеличение регистрирующей системы, находят истинный размер микрочастицы с помощью (5), (7). Одновременно с измерением размеров микрочастиц можно, применив синхронные импульсные облучающие источники света, определить траектории движения частиц в поле зрения объектива регистрирующей системы, и скорость движения частиц. Предлагаемый способ измерения размеров прозрачных сферических микрочастиц позволяет избежать применения регистрирующей аппаратуры с высоким разрешением по яркости, а также устранить ошибки в измерении размеров микрочастицы, присущие известному способу. Кроме того, способ позволяет расширить диапазон измеряемых размеров микрочастиц. Формула изобретения Способ определения размеров сферических микрочастиц, включающий облучение частиц двумя световыми пучками, расположенными под острым углом друг к другу, получение при этом на экране регистрирующей системы от каждой частицы двух световых точек., по расстоянию между которыми судят о размерах частиц, отличающийся тем, что, с целью определения размеров прозрачных частиц, облучающие световые пучки направляют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы, а угол между ними устанавливают согласно зависимости: 2a -earcsin- п 1 где loi - угол между световыми пучка-. п - показатель преломления вещества исследуемых частиц. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3563660, «л. G 01 N 15/02, опублик. 16.02.71. 2,Авторское свидетельство СССР 387265, кл. G 01 N 15/02, 08.12.69 (прототип).